Building Blocks PDF [PDF]

Citation preview

Pendahuluan FITOKIMIA



• Fitokimia – “phyto” = tanaman – Kimia tanaman – Aspek kimia suatu tanaman • Kajian Fitokimia :  Uraian ttg isolasi dan konstitusi seny.kimia dlm tanaman Perbandingan struktur seny.kimia tanaman Perbandingan komposisi seny.kimia dari bermacammacam jenis tanaman atau penelitian utk pengembangan seny.kimia dlm tanaman



Mineral 0,1-20%



Seny.Kimia bermolekul besar Metabolit Primer : KH, Protein, Lemak



Air 10-98%



Seny.Kimia bermolekul kecil



Terdapat pada semua tanaman, misal : produk intermediet metabolisme metabolit primer



Untuk jumlah terbatas, terbatas khas pada tanaman tertentu (zat tan.sekunder)



Metabolisme • Dalam lingkup bahasan metabolisme, dapat dikategorikan menjadi anabolisme, amfibolisme, dan katabolisme – Anabolisme dapat diartikan sbg suatu proses yg bertujuan untuk mensintesis molekul-molekul kompleks dari molekul-molekul sederhana – Katabolisme dapat diartikan sbg suatu proses kebalikan dari proses anabolisme; yaitu membongkar molekul-molekul kompleks menjadi molekul-molekul sederhana – Amfibolisme merupakan proses yg termasuk kategori anabolisme dan katabolisme (bongkar-muat)



Metabolisme dan kergaman metabolit • Tumbuhan mrp makhluk hidup. Untuk dapat mampu mempertahankan kehidupannya, setiap makhluk hidup akan melakukan metabolisme. • Metabolisme mrp suatu proses biokimiawi yg terjadi dlm sel makhluk hidup dalam rangka mempertahankan hidupnya • Suatu contoh yg sering dijumpai adalah dapat tumbuhnya suatu jenis tumbuhan yg sama pada tmp tumbuh dg kondisi yg berbedabeda (ada yg dapat tumbuh di pematang sawah, ladang, hutan, tempat sampah, dan dpt pula tumbuh di tembok-tembok), mengapa bisa demikian? • Proses metabolisme terjadi di dalam ‘sel’ setiap makhluk hidup. Reaksi-reaksi metabolisme berlangsung scr enzimatik dlm kompartemen-kompartemen sel yg dibatasi oleh membran lapis ganda. Reaksi metabolisme dpt dilakukan dg berbagai jalur reaksi



Jalur Metabolisme • Pada pembentukan metabolit K dapat ditempuh melalui jalur reaksi : • ABCDEGK • ABCDHJK • ABCDEIK • ABCDHJFGK • Proses metabolisme tjd dalam sel. Sel suatu tumbhan dpt dibayangkan mrp suatu kompartemen. Antar kompartemen dibatasi dg suatu membran ‘double layer’. Seperti telah dikemukakan sblmnya, bahwa metabolisme adl suatu proses; proses-proses reaksi tsb dpt berlangsung sangat kompleks, tgt dari macam enzim yg tersedia, shg tumbuhan sejenis yg tumbuh di daerah yg berbeda sangat memungkinkan utk mempunyai jalur pembentukan metabolit tertentu yg tidak identik, yg disebut fenomena “vikariasi”RAS KIMIA (Sudarsono, 2007)



Produk hasil metabolisme berupa metabolit Metabolit dapat dikategorikan menjadi : 1. Menurut urutan terjadinya   



2.



Menurut dampak efek yg ditimbulkan  



3.



Zat aktif farmasetik Zat aktif farmakologik



Menurut kepentingan di bidang isolasi  



4.



Metabolit primer Metabolit intermediet Metabolit sekunder



Zat aktif Zat inert



Menurut status keberadaan  Genuine  Artefak



Primer-Sekunder • Metabolit primer adalah hasil metabolisme primer : respirasi, fotosintesis, konversi energi, dan metabolisme lain yg vital untuk kelangsungan hidup organisme • Metabolit sekunder adalah hasil metabolisme dari metabolit primer membentuk derivat yg tidak diketahui gunanya bagi organisme tsb atau tdk berguna bagi kelangsungan hidup organisme



Metabolit sekunder? • Giberelin, auksin • Sinamat • Asam sikimat



 hormon tumbuh  bagian struktural tumbuhan  pembentuk asam amino Merupakan intermediat antara met.primer dan met.sekunder



Mengapa metabolit sekunder diproduksi? Hipotesis • Produk buangan – Dasar : melimpahnya MS pada tumbuhan, tdk esensial bagi kehidupan organisme, dan tdk adanya organ ekskresi di tumbuhan – Kontra : beberapa tumbuhan memiliki sistem ekskresi berupa presipitasi dan eksudasi



• Fungsi internal tumbuhan – Dasar : beberapa MS merupakan zat antara MP, sbg cadangan energi dan prekursor metabolisme penting, sbg bentuk mekanisme transpor



• Kelebihan metabolisme primer – Dasar : dalam keadaan berlimpahnya substrat bagi metabolisme dpt terjadi produksi MP yg berlebihan, shg pembentukan MS mjd pencegah kelebihan produksi



• Peningkatan Fitness – Dasar : MS meningkatkan kemampuan tumbuhan utk bertahan hidup



Fungsi metabolit bagi tumbuhan 1. Sumber energi metabolisme dan transfer energi –



Pembentukan gula mrp cadangan energi dlm organisme, selain itu juga berupa ATP



2. Bahan dasar (building blocks) sel dan pendukung struktur – – – –



Gula (selulosa, hemiselulosa) Lipid (fosfolipid) Fenilpropan (lignin, lignifikasi pada pepohonan) Protein (membran mikrotubulus, dan mikrofilamen)



3. Sumber informasi genetik –



DNA-RNA



4. Katalis reaksi metabolisme –



Enzim : hidrolase, transferase, sintetase, dll



Fungsi metabolit..... 5. Penolak predator dan patogen – Penolak struktural : lignifikasi, pembentukan lapisan lilin (mencegah penetrasi patogen) – Penolak kimiawi : zat pahit, racun, antimikroba



6. Penarik atau penolak polinator – Antosian : membentuk warna yg menarik polinator tertentu (lebah cenderung ke warna merah-violet) – Senyawa berbau : limonen dan terpenoid lainnya – Gula di bunga – Indol menolak lebah



7. Aksi allelopati – Merupakan fenomena pelepasan seny.kimia oleh tumbuhan (disebut allelomon) yg dapat melukai tumbuhan lain shg tdk tumbuh di daerahnya, sbg mekanisme kompetisi makanan – Allelomon meliputi seny.minyak atsiri, fenolik, alkaloid, steroid dan kumarin. Contoh adalah seny.juglon



Fungsi metabolit...... 8. Penarik simbiont – Tidak semua tumbuhan mampu memperoleh makanan dg baik. Bakteri dan fungi sering memiliki kemampuan lebih utk mengambil makanan shg ada simbiosis mutualisme antara tumbuhan dan MO. Contohnya dg bakteri fiksasi nitrogen jenis Brachyrhizobium. Untuk menjamin terjadinya infeksi di akar kedelai diproduksi glisin dan flavonoid luteolin. Kaufmann et.al. 1999, Natural Products from Plants



The Building Blocks • Bahan dasar MS diturunkan dari MP, jumlahnya sedikit, namun jumlah yg sedikit tersebut mampu menyusun beragam senyawa yg sangat banyak • Bahan dasar penting dalam biosintesis MS diturunkan dari met.intermediat spt asetil ko-A, asam sikimat, asam mevalonat, dan 1-deoksi xilulosa-5-fosfat. • Intermediat tersebut berperan dalam biosintesis melalui jalur asetat, sikimat, mevalonat, dan deoksi xilulosa fosfat.



The building blocks • Asetil coenzim A dibentuk dari dekarboksilasi oksidatif asam piruvat jalur glikolitik, dapat jg dibentuk dari βoksidasi asam lemak. • MS penting yg terbentuk dari jalur asetat yaitu fenolik, prostaglandin, antibiotik makrolida. • Asam sikimat diproduksi dari kombinasi fosfoenolpiruvat, suatu intermediat jalur glikolisis, dan eritrosa-4-fosfat dari jalur pentosa fosfat. • Jalur sikimat membentuk senyawa-senyawa fenolik, turunan asam sinamat, lignan, dan alkaloid



The building blocks • Asam mevalonat terbentuk dari 3 molekul asetil Ko-A, namun pada jalur mevalonat akan terbentuk senyawa yg berbeda dari jalur asetat • Deoksi xillulosa fosfat berasal dari kombinasi 2 intermediat jalur glikolisis, yaitu asam piruvat dan gliseraldehid-3- fosfat. • Jalur mevalonat dan deoksi xillulosa fosfat bersama-sama bertanggungjawab dalam biosintesis MS terpenoid dan steroid



The building blocks • Selain, asetil ko-A, asam sikimat, asam mevalonat, dan deoksi xillulosa fosfat, bahan dasar yg lain yg sering digunakan untuk biosintesis MS yaitu asam amino. • Peptida, protein, alkaloid, dan beberapa antibiotik diturunkan dari asam amino • Asam amino, sebagian besar berasal dari intermediat jalur glikolitik dan siklus Krebs • Namun, asam amino aromatik, spt fenilalanin, tirosin, dan triptofan berasal dari jalur sikimat • Ornitin dan lisin, prekursor penting dalam biosintesis alkaloid, berasal dari intermediat siklus Krebs



The Building Blocks • C₁ : building block paling sederhana, terdiri dari 1 atom karbon, biasanya membentuk gugus metil, dan kebanyakan berikatan dg atom oksigen atau nitrogen. C₁ terbentuk dari S-metil dari L-metionin. Contoh : gugus metilendioksi



The Building Blocks • C₂ : unit 2 atom karbon yg berasal dari asetil ko-A. Unit C₂ dapat berupa gugus asetil sederhana, sbg ester, atau lebih sering membentuk bagian dari rantai panjang alkil pada asam lemak, atau bagian dari sistem aromatis (seperti fenol). Namun, asetil ko-A akan dikonversi menjadi Malonil ko-A yg lebih reaktif sebelum mengalami inkorporasi/penggabungan



The Building Blocks • C₅ : unit rantai bercabang C₅ yg disebut ‘Isopren’ terbentuk dari jalur mevalonat dan deoksi xillulosa fosfat. Mevalonat sendiri berasal dari kombinasi 3 molekul asetil ko-A, namun dari 6 karbon pada mevalonat hanya 5 karbon yg digunakan, gugus karboksilnya dihilangkan. Sementara isopren yg berasal dari prekursor deoksixillulosa fosfat, rantai lurus turunan gula, mengalami skeletal rearrangement membentuk unit isopren yg bercabang



The Building Blocks • C₆C₃: merupakan unit fenilpropil yg berasal dari rangka karbon Lfenilalanin atau L-tirosin, 2 asam amino aromatik turunan sikimat. • Asam amino tsb tentunya akan kehilangan gugus aminonya • Rantai samping C₃ bisa tunggal atau rangkap, atau dapat teroksigenasi • Terkadang rantai samping mengalami pemutusan 1 atau 2 karbon • Unit C₆C₂ atau C₆C₁ merupakan bentuk modifikasi dari sistem C₆C₃



The Building Blocks • C₆C₂N : unit ini juga berasal dari L-fenilalanin atau L-tirosin, namun pembentukan dari Ltirosin lebih umum. • Pada pembentukan unit ini asam amino tsb kehilangan gugus karbon karboksil



The Building Blocks • Indol.C₂N : unit ini berasal dari asam amino Ltriptofan. • Pelepasan gugus karboksilat pada L-triptofan melalui mekanisme yg sama seperti dekarboksilasi pada L-fenilalanin atau L-tirosin



The Building Blocks • C₄N : unit ini biasa ditemukan dlm bentuk sistem heterosiklik pirolidin, diproduksi dari L-ornitin • Berbeda halnya dg unit C₆C₂N dan indol.C₂N, atom nitrogen berasal dari gugus α-amino, sedangkan nitrogen pada unit C₄N berasal dari gugus δ-amino. • Sementara gugus karboksilat dan α-amino, keduanya dihilangkan



The Building Blocks • C₅N : unit ini diproduksi mirip dengan unit C₄N, namun menggunakan L-lisin sbg prekursor. Gugus ε-amino sbg penyumbang atom nitrogen, kemudian mengalami siklisasi shg terbentuk sistem piperidin



• Kedelapan building blocks tsb akan membentuk struktur dasar dari metabolit-metabolit yang ada di alam, yang saling berkombinasi antara building block satu dg yang lainnya • Namun semuanya tidak bisa digeneralisasi, ada beberapa pengecualian, ada beberapa senyawa di alam yg strukturnya merupakan produk dari penatan-ulang rangka karbon saja, seperti yg terjadi pada unit-unit isoprena.



Parthenolide



Naringin



Papaverine



Podophyllotoxin



Tentukan Building blocks dari masingmasing senyawa tsb!



Tetrahydrocannabinolic acid



Cocaine



Lysergic acid



The Construction Mechanisms • Molekul natural product dibiosintesis melalui serangkaian reaksi, yang melibatkan enzim sbg katalisatornya. • Enzim mrp molekul protein yg memfasilitasi modifikasi kimia dari substrat melalui penyesuaian ikatan spesifiknya dengan kombinasi gugus fungsi tertentu dalam asam-asam aminonya. • Enzim tertentu juga dapat menghasilkan suatu produk yg stereospesifik



The Construction Mechanisms Beberapa reaksi penting yg sering ditemukan dalam biosintesis MS : 1. Reaksi alkilasi : substitusi nukleofilik 2. Reaksi alkilasi : adisi elektrofilik 3. Penataan-ulang Wagner-Meerwein 4. Reaksi Aldol-Claisen 5. Formasi basa Schiff dan reaksi Mannich 6. Transaminasi 7. Reaksi dekarboksilasi 8. Reaksi oksidasi dan reduksi • • • • •



Dehidrogenasi Oksidasi Mono-oksigenasi Dioksigenasi Amina oksidasi



9. Kopling oksidatif fenolik 10. Reaksi Glikosilasi



Alkilasi • Alkilasi adalah proses penambahan gugus alkil ke dalam suatu molekul – Alkilasi melalui reaksi substitusi nukleofilik: • C1 : unit metil, diperantarai oleh S-adenosil metionin (SAM) • C5 : unit isoprena, diperantarai oleh dimetilalil difosfat (DMAPP)



– Alkilasi melalui reaksi adisi elektrofilik : • Penambahan isopentenil difosfat (IPP) ke DMAPP membentuk geranil difosfat (GPP)



Penataan ulang Wagner-Meerwein • Penataan ulang posisi gugus hidrida, metil, atau alkil dengan pergeseran 1,2 • Merupakan bagian dari proses stabilisasi karbokation atau relaksasi cincin yg tegar



1. Bagaimana mekanisme reaksi alkilasi pada senyawa-senyawa di bawah ini?



Anhalonine



Xanthotoxin O



OH P



N



N



O



OH



O N H



N OH N



Prenylated AMP



HO



Theobromine caffeine



2. Bagaimana mekanisme reaksi perubahan isoborneol menjadi kamfen?



Isoborneol



Kamfen



Reaksi Aldol-Claisen • Pembentukan ikatan C-C • Penambahan suatu alkil aldehida atau alkil asetat melalui intermediet suatu keto-enol dg reaksi substitusi nukleofilik • Contoh dalam pembentukan asetoasetil-KoA



Pembentukan basa Schiff dan reaksi Mannich • Pembentukan ikatan C-N yg umum terjadi di alam, terjadi melalui reaksi kondensasi antara amina dg aldehid/keton. Dengan reaksi adisi nukleofilik yg melepaskan air dan membentuk imina (basa Schiff) • Basa Schiff yg terbentuk selanjutnya dapat mengalami reaksi adisi nukleofilik (reaksi Mannich)



• Bagaimana reaksi pembentukan 3-hidroksi-3metil glutaril-KoA O HO HOOC S



CoA



• Buat mekanisme reaksi pembentukan basa schiff antara amina primer, amina sekunder, dan amina terseir dg dimetil keton dan reaksi Mannich dari produk dengan ion enolat!



Transaminasi • Perpindahan gugus amino dari asam amino membentuk asam keto • Merupakan proses yg umum terjadi dalam keluarnya nitrogen dari asam amino dan sebaliknya • Reaksi tergantung dengan koenzim piridoksal fosfat • Contoh adalah pasangan asam glutamat dan 2-ketoglutarat dalam siklus Krebs



Dekarboksilasi • Salah satu reaksi dalam pembentukan alkaloid dari asam amino adalah melalui reaksi dekarboksilasi • Merupakan proses dilepasnya gugus karboksilat • Reaksi tergantung dengan koenzim piridoksal fosfat



Reaksi Oksidasi • Reaksi yg melibatkan perubahan tingkat oksidasi suatu molekul • Penggolongan berdasarkan atas enzim yg terlibat: – Dehidrogenase : NAD dan NADP (bentuk teroksidasi); serta NADH dan NADPH (bentuk tereduksi) – Monooksigenase : sitokrom P450 – Dioksigenase : dioksigenasi tergantung 2-oksoglutarat – Amine oksidase



Monooksigenase



Kopling oksidatif fenolik • Merupakan reaksi penggabungan 2 gugus fenolik • Pada prosesnya akan terbentuk senyawa radikal yg dikatalisis oleh enzim peroksidase dan laccase, serta enzim2 dari sitokrom P-450dependent protein, yg membutuhkan NADPH dan O₂ sbg kofaktornya, namun tidak satupun oksigen yg tergabung dalam substrat.



a



b



c



Glikosilasi • Proses untuk menempelkan unit gula ke gula lain untuk membentuk polisakarida atau ke aglikon untuk membentuk glikosida • Dalam prosesnya melalui bantuan gula uridin difosfat (UDP)



a



b



c



Terima Kasih